Tài liệu Bài giảng cấu kiện điện tử electronic devices

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG -------------------- Đỗ Mạnh Hà Trần Thị Thúy Hà IT Trần Thị Thục Linh BÀI GIẢNG PT CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ Hà Nội 2013 LỜI NÓI ĐẦU Cấu kiện điện tử là môn học nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc tính, so đồ tương đương và một số ứng dụng của các linh kiện được sử dụng trong các mạch điện tử để thực hiện một chức năng kỹ thuật nào đó của một bộ phận trong một thiết bị điện tử chuyên dụng cũng như thiết bị điện tử dân dụng. PT IT Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây...đến các linh kiện không thể thiếu được như điốt, transistor...và các linh kiện điện tử tổ hợp phức tạp. Chúng được đấu nối với nhau theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học để thực hiện chức năng của thiết bị thông thường như máy radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết bị điện tử y tế... đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v...Nói chung cấu kiện điện tử là loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và nắm chắc các đặc điểm của chúng. Bài giảng "Cấu kiện điện" được biên soạn để làm tài liệu giảng dạy và học tập cho các sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử, Điện tử - Viễn thông, đồng thời bài giảng cũng có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên của các chuyên ngành kỹ thuật khác. Bài giảng được viết theo chương trình đề cương môn học "Cấu kiện điện tử" của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông ban hành tháng 6/2009 và được hiệu chỉnh lại theo đề cương tín chỉ được ban hành năm 2012. Nội dung của bài giảng được trình bày một cách rõ ràng, có hệ thống các kiến thức cơ bản và hiện đại về vật liệu và các cấu kiện điện tử đang sử dụng trong ngành Điện, Điện tử, Viễn thông, và CNTT… Bài giảng "Cấu kiện điện tử" gồm 6 chương. + Chương mở đầu: Giới thiệu chung về cấu kiện và mạch điện tử. + Chương 1: Cấu kiện thụ động + Chương 2 : Cấu kiện bán dẫn và ứng dụng + Chương 3: Cấu kiện quang điện tử + Chương 4: Cấu kiện cơ điện tử i + Chương 5: Màn hình cảm ứng Trong tập bài giảng này các tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, do thời gian biên soạn ngắn,tập bài giảng có thể còn những thiếu sót và hạn chế. Chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý của các nhà chuyên môn, các bạn đồng nghiệp, sinh viên, cũng như các bạn đọc quan tâm để bổ sung và hoàn chỉnh tập bài giảng "Cấu kiện điện tử" được tốt hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi đến Bộ môn Kỹ thuật điện tử - Khoa kỹ thuật điện tử 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, km 10 đường Nguyễn Trãi, Hà Đông, Hà Nội. PT IT Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................................... iii CHƯƠNG MỞ ĐẦU- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ ..................... 1 0.1. KHÁI NIỆM CHUNG ....................................................................................... 1 0.1.2. Mạch điện tử ................................................................................................... 2 0.1.3. Hệ thống điện tử ............................................................................................. 3 0.2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN ................................ 3 0.2.1. Các phần tử thụ động R, L, C ...................................................................... 4 IT 0.2.2. Mô hình nguồn điện .................................................................................... 6 0.2.3. Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện ............. 7 0.3. PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN .................................... 7 PT 0.3.1. Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1)...................... 8 Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) .......................................... 10 Dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton .................................................... 11 0.4. PHÂN LOẠI CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ. ............................................................... 13 0.4.1. Phân loại dựa trên đặc tính vật lý: .............................................................. 13 0.4.2. Phân loại dựa theo lịch sử phát triển của công nghệ điện tử: ...................... 13 0.4.3. Phân loại dựa trên chức năng xử lý tín hiệu: ............................................... 14 0.4.4. Phân loại dựa vào ứng dụng: ..................................................................... 14 0.4.5. Phân loại theo đặc tính điện ....................................................................... 14 CHƯƠNG 1. CẤU KIỆN THỤ ĐỘNG....................................................................... 17 NỘI DUNG ............................................................................................................ 17 iii 1.1. ĐIỆN TRỞ (Resistor) ...................................................................................... 17 1.1.1. Định nghĩa................................................................................................. 17 1.1.2. Cấu tạo điện trở ........................................................................................ 18 1.1.3. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của điện trở .............................................. 18 1.1.4. Cách ghi và đọc tham số trên thân điện trở ................................................ 22 1.1.5. Điện trở cao tần và mạch tương đương ...................................................... 24 1.1.6. Phân loại điện trở ...................................................................................... 25 1.1.7. Một số điện trở đặc biệt ............................................................................ 26 1.2. TỤ ĐIỆN (Capacitor) ...................................................................................... 28 IT 1.2.1. Định nghĩa................................................................................................. 28 1.2.2. Cấu tạo của Tụ điện .................................................................................. 28 1.2.3. Các tham số kỹ thuật đặc trưng của tụ điện ............................................... 29 PT 1.2.4. Ký hiệu của tụ điện.................................................................................... 31 1.2.5. Cách ghi và đọc tham số trên tụ điện ......................................................... 31 1.2.6. Tụ điện cao tần và mạch tương đương: ...................................................... 34 1.2.6. Phân loại ................................................................................................... 34 1.2.8. Ứng dụng của tụ điện ................................................................................ 37 1.2.9. Hình ảnh của một số loại tụ trong thực tế .................................................. 37 1.3. CUỘN CẢM (Inductor) ................................................................................... 40 1.3.1. Định nghĩa................................................................................................. 40 1.3.2 Ký hiệu của cuộn cảm. ............................................................................... 40 1.3.3 Các tham số kỹ thuật đặc trưng của cuộn dây ............................................. 40 1.3.4 Cách ghi và đọc tham số trên cuộn dây....................................................... 42 1.3.5 Phân loại .................................................................................................... 43 iv 1.3.6 Hình ảnh của một số loại cuộn cảm trong thực tế....................................... 44 1.4 BIẾN ÁP (Transformer) .................................................................................... 44 1.4.1 Định nghĩa và cấu tạo của biến áp............................................................... 44 1.4.2 Nguyên lý hoạt động của biến áp ................................................................ 45 1.4.3 Các tham số kỹ thuật của biến áp................................................................ 46 1.4.4 Ký hiệu của biến áp .................................................................................... 47 1.4.5 Phân loại và ứng dụng ................................................................................ 47 1.5 CÁC LOẠI LINH KIỆN KHÁC ....................................................................... 50 BÀI TẬP CHƯƠNG 1 ............................................................................................ 54 IT CHƯƠNG 2. CẤU KIỆN BÁN DẪN VÀ ỨNG DỤNG ............................................. 43 2.1. CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ. ................................................. 43 2.1.1. Lý thuyết vật lý chất rắn ............................................................................ 43 PT 2.1.2. Lý thuyết vật lý cơ học lượng tử ................................................................ 44 2.1.3. Lý thuyết dải năng lượng của chất rắn ....................................................... 44 2.1.4. Phân loại vật liệu điện tử ........................................................................... 45 2.2. CHẤT BÁN DẪN............................................................................................ 49 2.2.1. Định nghĩa chất bán dẫn ............................................................................ 49 2.2.2. Chất bán dẫn nguyên chất (Intrinsic semiconductor) .................................. 50 2.2.3. Chất bán dẫn tạp ....................................................................................... 57 2.3. CHUYỂN TIẾP PN ......................................................................................... 66 2.3.1. Giới thiệu chung ........................................................................................ 66 2.3.2. Chuyển tiếp PN ở trạng thái cân bằng nhiệt ............................................... 66 2.3.3. Chuyển tiếp PN khi có điện áp phân cực .................................................... 68 2.3.4. Đặc tuyến V-A của chuyển tiếp PN ........................................................... 70 v 2.3.5. Cơ chế đánh thủng trong chuyển tiếp PN ................................................... 72 2.4. ĐIỐT BÁN DẪN ............................................................................................. 73 2.4.1. Giới thiệu chung ........................................................................................ 73 2.4.2. Điốt chỉnh lưu ........................................................................................... 75 2.4.3. Một số loại điốt ......................................................................................... 82 2.4.4. Một số mạch ứng dụng của Điốt ............................................................... 85 2.5. TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT) ............................................................... 91 2.5.1. Giới thiệu chung ........................................................................................ 91 2.5.2. Cấu tạo, ký hiệu của BJT .......................................................................... 92 IT 2.5.3. Nguyên lý hoạt động của BJT ........................................................................ 94 2.5.4. Các cách mắc BJT và họ đặc tuyến tương ứng. ........................................ 100 2.5.5. Phân cực (định thiên) cho BJT ................................................................. 108 PT 2.5.6. BJT trong chế độ chuyển mạch (chế độ xung) ......................................... 134 2.5.7 Ứng dụng của BJT ....................................................................................... 136 2.6. Transistor hiệu ứng trường – FET .............................................................. 137 2.6.3.2. Cấu trúc MOS khi có điện áp phân cực................................................. 155 BÀI TẬP CHƯƠNG 2 .......................................................................................... 173 PHẦN 1 – ĐIỐT BÁN DẪN ................................................................................ 173 PHẦN 2 - BJT .................................................................................................. 181 CHƯƠNG 3. CẤU KIỆN QUANG ĐIỆN TỬ .......................................................... 201 3.1. PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................... 201 3.1.1. Khái niệm chung về kỹ thuật quang điện tử.............................................. 201 3.1.2. Hệ thống thông tin quang. ....................................................................... 202 3.1.3. Vật liệu bán dẫn quang ............................................................................ 204 vi 3.2. CÁC CẤU KIỆN PHÁT QUANG.................................................................. 204 3.2.1. Sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất .................................................... 204 3.2.2. Diode phát quang (LED- Light Emitting Diode). ..................................... 207 Nguyên tắc làm việc .............................................................................................. 214 Ứng dụng .............................................................................................................. 215 3.2.3. Mặt chỉ thị tinh thể lỏng (LCD) ............................................................... 216 3.2.4. Màn hình Plasma ..................................................................................... 218 3.3. Các linh kiện thu quang. ................................................................................. 219 3.3.1. Giới thiệu chung. ..................................................................................... 219 IT 3.3.2. Điện trở quang. ....................................................................................... 219 3.3.3. Điôt quang (photodiode). ........................................................................ 221 3.3.4. Tế bào quang điện ................................................................................... 228 PT 3.4. CẤU KIỆN CCD (Charge Coupled Devices - Cấu kiện tích điện kép) ........... 231 TÓM TẮT ............................................................................................................ 232 CÂU HỎI ÔN TẬP .............................................................................................. 232 CHƯƠNG 4 - CẤU KIỆN CƠ ĐIỆN TỬ ................................................................. 237 NỘI DUNG .......................................................................................................... 237 4.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 237 4.2. Cảm biến áp suất vi cơ điện tử. ....................................................................... 237 4.2.1. Cảm biến áp suất kiểu tụ. ........................................................................ 239 4.2.2. Cảm biến áp suất kiểu áp trở ................................................................... 240 4.3. Cảm biến gia tốc. ........................................................................................... 242 4.3.1. Cấu tạo. .................................................................................................. 242 4.3.2. Nguyên lý hoạt động. .............................................................................. 243 vii 4.3.3. Một số loại cảm biến gia tốc. ................................................................... 243 4.3.4. Một số ứng dụng của cảm biến gia tốc. ................................................... 246 4.4. Cảm biến sinh học. ......................................................................................... 247 4.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động............................................................... 247 4.4.2. Ứng dụng của cảm biến sinh học ............................................................. 249 4.5. Rơ le (Chuyển mạch - Switching). .................................................................. 251 4.5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động............................................................... 251 CÂU HỎI ÔN TẬP .............................................................................................. 253 Equation Chapter 8 Section 1CHƯƠNG 5 – MÀN HÌNH CẢM ỨNG ...................... 254 IT 5.1. Giới thiệu ....................................................................................................... 254 5.2. Các công nghệ màn hình cảm ứng................................................................... 254 5.2.1. Công nghệ cảm ứng điện trở. ................................................................... 256 PT 5.2.2. Công nghệ cảm ứng điện dung. ............................................................... 257 5.2.3. Công nghệ hồng ngoại và sóng âm. ......................................................... 260 5.3. Ứng dụng. ...................................................................................................... 261 CÂU HỎI ÔN TẬP .............................................................................................. 265 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 266 viii ix IT PT CHƯƠNG MỞ ĐẦU- GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẤU KIỆN ĐIỆN TỬ  Khái niệm chung  Khái niệm về cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử  Các mô hình phần tử mạch điện cơ bản  Tổng quan các phương pháp cơ bản phân tích mạch điện  Phương pháp phân tích mạch điện phi tuyến  Phân loại cấu kiện điện tử. 0.1.1. Cấu kiện điện tử IT 0.1. KHÁI NIỆM CHUNG PT Cấu kiện điện tử: là các phần tử linh kiện rời rạc, mạch tích hợp (IC) … có tính năng thu nhận, lưu trữ, truyền dẫn, hoặc xử lý tín hiệu điện... tạo nên mạch điện tử, các hệ thống điện tử có chức năng kỹ thuật nào đó. Xem hình ảnh một số loại cấu kiện trong thực tế trong Hình 0.1. Hình 0.1 - Hình ảnh của một số loại cấu kiện điện tử trong thực tế. Cấu kiện điện tử có rất nhiều loại thực hiện các chức năng khác nhau trong mạch điện tử. Muốn tạo ra một thiết bị điện tử chúng ta phải sử dụng rất nhiều các linh kiện điện tử, từ những linh kiện đơn giản như điện trở, tụ điện, cuộn dây... các linh kiện không thể thiếu được như Điốt, transistor... đến các linh kiện tích hợp (IC) phức tạp... Chúng được đấu nối với nhau 1 theo các sơ đồ mạch đã được thiết kế, tính toán khoa học để thực hiện chức năng của thiết bị điện tử, ví dụ như máy radio cassettes, tivi, máy tính, các thiết bị điện tử y tế... đến các thiết bị thông tin liên lạc như tổng đài điện thoại, các trạm thu - phát thông tin hay các thiết bị vệ tinh vũ trụ v.v...Nói chung cấu kiện điện tử là loại linh kiện tạo ra các thiết bị điện tử do vậy chúng rất quan trọng trong đời sống khoa học kỹ thuật và muốn sử dụng chúng một cách hiệu quả thì chúng ta phải hiểu biết và nắm chắc nguyên lý hoặc động, đặc điểm, tham số, và ứng dụng của chúng. Trong thực tế cấu kiện điện tử rất đa dạng, có nhiều tham số, đặc tính khác nhau, tuy nhiên khi nghiên cứu về cấu kiện điện tử chúng ta thường sử dụng các mô hình của cấu kiện với những tham số đặc trưng, quan trọng nhất. PT IT 0.1.2. Mạch điện tử iPhone Hình 0.2 - Hình ảnh của một số mạch điện tử trong thực tế. Mạch điện là một tập hợp gồm có nguồn điện (nguồn áp hoặc nguồn dòng nếu có) và các cấu kiện điện tử cùng dây dẫn điện được đấu nối với nhau theo một sơ đồ mạch đã thiết kế nhằm thực hiện một chức năng nào đó của một thiết bị điện tử hoặc một hệ thống điện tử. Ví dụ như mạch tạo dao động hình sin, mạch khuếch đại micro, mạch giải mã nhị phân, mạch đếm xung, hoặc đơn giản chỉ là một mạch phân áp,... Hình ảnh một số mạch điện tử trong thực tế như Hình 0.2. 2 Cấu hình vật lý của mạch điện tử rất đa dạng và phức tạp, khi nghiên cứu về mạch chúng ta thường nghiên cứu chúng dưới dạng mô hình mạch điện (Tập hợp của nhiều mô hình cấu kiện kết nối với nhau). 0.1.3. Hệ thống điện tử PT IT Hệ thống điện tử là một tập hợp các mạch điện tử có các chức năng kỹ thuật riêng kết nối với nhau theo một cấu trúc nhất định tạo thành một thiết bị điện tử có chức năng kỹ thuật nhất định hoặc một hệ thống điện tử phức tạp có chức năng kỹ thuật riêng như máy thu hình, máy hiện sóng, hệ thống phát thanh truyền hình, trạm truyền dẫn vi ba, hệ thống thông tin quang... Hình 0.3 - Hình ảnh của một số hệ thống điện tử trong thực tế. 0.2. CÁC MÔ HÌNH PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA MẠCH ĐIỆN Trong thực tế cấu kiện, mạch, hệ thống điện tử rất đa dạng, để nghiên cứu, thiết kế, tính toán chúng thường sử dụng mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng. Mô hình mạch điện nguyên lý được xây dựng từ các mô hình các phần tử mạch điện. Trong mô hình mạch điện nguyên lý, mỗi cấu kiện điện tử có thể được thay thế tương ứng bằng một mô hình phần tử tương ứng hoặc bằng một khối mạch tương tương gồm nhiều phần tử cơ bản ghép với nhau. Trong thực tế nhiều cấu kiện phức tạp có thể chỉ thay thế bằng một mô hình đơn giản gồm hộp đen có các chân vào/ra và kèm theo là mô tả hoạt động của chúng dưới dạng các phương trình quan hệ, bảng trạng thái, giải thuật, mô tả bằng ngôn ngữ đặc tả hay ngôn ngữ tự nhiên. Ví dụ về mạch điện trong thực tế và mô hình mạch điện nguyên lý như Hình 0.4. Các cấu kiện điện tử được trình bày trong tài liệu này chủ yếu được nghiên cứu dưới dạng mô hình và kết chúng với nhau trong mô hình mạch nguyên lý xác định. Như vậy trong tài liệu này khi nói đến mạch điện chúng ta hiểu đó là mô hình mạch điện nguyên lý. 3 Các mô hình phần tử cơ bản của mạch điện bao gồm: Các phần tử nguồn điện, Phần tử thụ động cơ bản: Điện trở, Điện cảm, Điện dung. Còn mô hình của các phần tử phức tạp hơn như Điốt, Transistor, ... sẽ lần lượt được xét trong các chương tiếp theo. PT IT Mạch điện thực tế Mô hình mạch điện nguyên lý tương ứng Hình 0.4 - Mạch điện thực tế và mô hình mạch tương ứng 0.2.1. Các phần tử thụ động R, L, C a. Phần tử điện trở Ta hiểu một cách đơn giản – Điện trở là sự cản trở dòng điện của một vật dẫn điện. Nếu vật dẫn điện tốt thì điện trở nhỏ, vật dẫn điện kém thì điện trở lớn, vật cách điện thì điện trở là vô cùng lớn. Mức độ cản điện được đặc trưng bởi phần tử điện trở, thường được ký hiệu là R (Resistor) và có 2 dạng mô hình (hoàn toàn tương đương) như Hình 0.5. i(t) R u(t) R i(t) u(t) Hình 0.5 – Mô hình của phần tử điện trở 4 Quan hệ giữa điện áp và dòng điện trên điện trở tuân theo định luật Ôm rất nổi tiếng: U=I.R hay u(t)=i(t).R Trong đó: U, u(t) : là hiệu điện thế giữa hai đầu vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản V (Vôn). I, i(t) : là cường độ dòng điện đi qua vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản A (Ampe). R : trị số điện trở của vật dẫn điện, đơn vị đo cơ bản Ω (Ohm). - Trị số điện dẫn của điện trở: G=1/R b. Phần tử điện dung (tụ điện) PT IT Tụ điện là phần tử mạch có khả năng Tích, Lưu và phóng điện tích dưới dạng năng lượng của Điện trường . Thường được tạo ra bởi hai bề mặt dẫn điện được ngăn cách bởi điện môi (chất cách điện). Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng cường độ, nhưng trái dấu. Sự tích tụ của điện tích trên hai bề mặt tạo ra khả năng tích trữ năng lượng điện trường của tụ điện. Khi chênh lệch điện thế trên hai bề mặt là điện thế xoay chiều, sự tích luỹ điện tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ điện trong mạch điện xoay chiều. Về mặt lưu trữ năng lượng, tụ điện có phần giống với ắc qui. Mặc dù cách hoạt động của chúng thì hoàn toàn khác nhau, nhưng chúng đều cùng lưu trữ năng lượng điện. Ắc qui có 2 cực, bên trong xảy ra phản ứng hóa học để tạo ra electron ở cực này và chuyển electron sang cực còn lại. Tụ điện thì đơn giản hơn, nó không thể tạo ra electron - nó chỉ lưu trữ chúng. Tụ điện có khả năng nạp và xả rất nhanh, đây là một ưu thế của nó so với ắc qui. i(t) C u(t) Hình 0.6 – Mô hình của phần tử tụ điện Mức độ tích điện của tụ điện được đặc trưng bởi trị số điện dung C (F), và cũng được ký hiệu là C và có mô hình như Hình 0.6: Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên tụ như sau: 5 i (t )  C . du (t ) dt c. Phần tử điện cảm Điện cảm là phần tử mạch điện có khả năng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bởi cuộn cảm khi dòng điện biến thiên đi qua); và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90°. Tham số Điện cảm được đặc trưng bằng độ tự cảm L, đơn vị henri (H). Cuộn cảm có độ tự cảm L càng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự trữ nhiều năng lượng. Trong sơ đồ mạch điện, điện cảm cũng được ký hiệu là L và có mô hình như Hình 0.7: i(t) L u(t) Hình 0.7 – Mô hình của phần tử điện cảm IT Quan hệ giữa dòng và điện áp xoay chiều trên điện cảm như sau: u (t )  L. PT 0.2.2. Mô hình nguồn điện di (t ) dt a. Nguồn độc lập a1. Nguồn áp Nguồn PIN lý tưởng + Nguồn áp lý tưởng V + _ V; v(t) Nguồn áp không lý tưởng + _ RS V; v(t) a2. Nguồn dòng Nguồn dòng lý tưởng I, i(t) Nguồn dòng không lý tưởng I, i(t) RS 6 b. Nguồn phụ thuộc Nguồn phụ thuộc (nguồn có điều khiển) b1. Nguồn áp có điều khiển Nguồn áp điều khiển bằng áp Nguồn áp điều khiển bằng dòng Lý tưởng Không lý tưởng + _ + _ U(U) RS U(U) Lý tưởng Không lý tưởng + _ + _ U(I) RS U(I) b2. Nguồn dòng có điều khiển Nguồn dòng điều khiển bằng áp I(U) Không lý tưởng I(U) Lý tưởng IT Lý tưởng Nguồn dòng điều khiển bằng dòng RS I(I) Không lý tưởng I(I) RS PT 0.2.3. Một số ký hiệu của các phần tử cơ bản khác trong sơ đồ mạch điện Dây dẫn = Dẫn điện tuyệt đối Điểm đầu cuối Đất (GND) Điểm nối Không nối +V Nguồn áp dương -V Nguồn áp âm 0.3. PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN PHÂN TÍCH MẠCH ĐIỆN + m1 (method 1): Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL + m2 (method 2): Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) + m3 (method 3): Phương pháp điện áp nút (Node Method) 7 + m4 (method 4): Phương pháp xếp chồng (Superposition) + m5 (method 5): Phương pháp dùng biến đổi tương đương Thevenin, Norton Các phương pháp phân tích mạch điện cơ bản ở trên sinh viên sẽ được học đầy đủ trong môn “Lý thuyết mạch” ở học kỳ tiếp theo. Trong bài giảng này chỉ giới thiệu một số phương pháp như m1, m2, m5 nhằm trang bị cho sinh viên công cụ để phân tích, tính toán mạch định thiên, mô hình mạch xoay chiều cho các loại cấu kiện điện tử. 0.3.1. Phương pháp dùng các định luật Kirchhoff : KCL, KVL (m1) a. Định luật Kirchhoff 1 (KCL - Kirchhoff’s Current Law) Định luật KCL có thể được phát biểu như sau: - Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào và ra tại một nút bằng không. IT - Tổng giá trị cường độ dòng điện đi vào nút bằng Tổng giá trị cường độ dòng điện đi ra khỏi nút. Giả sử tại 1 nút mạch có N thành phần dòng điện thì ta có: N  a i (t )  0 n n n 1 an= 1 Nếu in(t) đi vào nút. PT an=-1 Nếu in(t) đi ra khỏi nút. Ví dụ 1.2: Nút i1 i3 3A i2 1A 2A i1 i  ? KCL : i  2 A  i1  2 A  ( 3 A  1 A ) i1  i 2  i 3  0  i   2 A b. Định luật Kirchhoff 2 (KVL - Kirchhoff’s Voltage Law) - Tổng các thành phần điện áp trong một vòng kín bằng không. Giả sử trong vòng kín có N thành phần điện áp thì ta có: N  bnvn (t )  0 n 1 bn= 1 Nếu vn(t) cùng chiều với vòng. bn=-1 Nếu vn(t) ngược chiều với vòng. 8 Phương pháp chung phân tích mạch dùng các định luật Kirchhoff (KCL, KVL) m1: Để tìm tất cả các thành phần dòng điện và điện áp trong mạch, có thể thực hiện theo các bước sau đây: - Ký hiệu tất cả các thành phần dòng điện, điện áp trong có trong mạch, đặt chúng là các ẩn phải tìm. - Viết quan hệ V-I của tất cả các phần tử mạch điện (trừ các phần tử nguồn). - Viết KCL cho tất cả các nút. - Viết KVL cho tất cả các vòng. - Rút ra được hệ nhiều phương trình, nhiều ẩn => Giải hệ. Chú ý: Trong quá trình viết các phương trình có thể rút gọn ngay (kết hợp bước 2 và 3 hoặc 4) để giảm số phương trình số ẩn. IT Ví dụ 1.3: Vòng 3 _ _ +1 + 5_ PT + 9_ 3 Vòng 1 _ 3 + Vòng 2 + + 12 _ + 4 _ Vòng 1 : 1V  5V  3V  9V  0 Vòng 2 :  3V  12V  4V  5V  0 Vòng 3 : 1V  3V  12V  4V  3V  9V  0 Ví dụ 1.4: Mạch chia áp i(t) R1 vS(t) + _ I v1(t) + R2 v2(t) - Theo KVL (I): v1(t) + v1(t) - vS(t) =0 9 => i(t).R1 + i(t).R2 = vS(t) => i (t )  v S (t ) R1  R2 v2 (t)  i(t)R2  vs (t) R2  vS (t),t R1  R2  v2 (t )  vs (t ) R2 R1  R2 Ví dụ 1.5: Mạch chia dòng Theo KVL: i1R1-i2R2=0 IT Theo KCL: i1+i2=iS iS i1 i2 R1 R2 Giải hệ phương trình trên ta được: R2 R1 và i2  iS R1  R2 R1  R2 PT i1  iS 0.3.2. Phương pháp dùng luật kết hợp (Composition Rules) Biến đổi tương đương các mạch mắc song song hoặc nối tiếp các phần tử cùng loại về mạch đơn giản hơn. 10